地质断层处高速铁路桥梁不均匀沉降控制研究

王学刚



地质断层处高速铁路桥梁不均匀沉降控制研究

王学刚

（中铁十八局集团有限公司勘察设计院，天津 河西 300222）

通过对乌马河大桥处于地质断层处的②号墩、③号墩桩基础进行计算分析，得出该两桥墩基础存在沉降差，并提出成桥预压沉降、选用大调高量支座等控制沉降差的措施，对位于地质性状突变或地质变化剧烈的地基基础不均匀沉降控制具有一定参考价值．

高速铁路；桥梁；地质断层；沉降；预压；大调高量支座

高速铁路具有高舒适性、高密度快速连续运营等特点，对轨道线路平顺性具有较高的要求．为有效控制线下工程变形，线路中桥梁占比往往较大．因此桥梁基础的工后沉降，尤其不均匀沉降直接危害铁路线路平顺性．控制桥梁相邻基础的沉降差，已成为高速铁路桥梁设计的关键问题之一．地质断层是岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造．破裂面两侧地质性状常常存在较大差异，有时候甚至存在一侧为硬质岩层另一侧为软土的极端情况．由于地层性状的突变，易引起基础沉降的较大差异，因此控制断层处基础的不均匀沉降是一个控制性设计难点．

1 工程概况

新建太原至焦作铁路项目(太焦城际铁路)是国家快速铁路网的重要组成部分，为新建双线客运专线，线路北起山西省太原市，向南依次经晋中市、长治市、晋城市3个地级市，穿越太行山后接轨于河南省焦作市郑焦城际铁路焦作站，线路全长358.761 km．

白北村乌马河大桥位于山西省晋中市榆社县西马乡白北村附近，低山丘陵区与冲沟发育，桥址小里程地形切割严重，山壁陡峭，基岩出露；桥址大里程地形较平坦，坡地多辟为耕地及林地，植被较发育．该桥为跨越乌马河及S319省道而设．小里程接榆社隧道，为无砟轨道桥梁，采用支架现浇施工．

根据桥位地质勘察报告，该桥太方台至②号墩地质为弱风化砂岩，③号墩至焦方台地质为密实粉砂与粉质黏土互层．②号墩、③号墩分别位于地质断层两侧，根据桥位地质勘察报告，②号墩、③号墩承台底以下土层自上而下分布情况分别如表1、表2所示．

表1 2号墩土层分布

表2 3号墩土层分布

2 沉降计算

2.1 沉降计算方法

对于摩擦桩采用分层总和法进行计算[2]：

2.2 ②号墩沉降分析

2.3 ③号墩沉降分析

表3 ③号墩桩底地基土压缩变形分层计算表

压缩层厚度确定，由于基础外力作用于地基，在理论上地基的应力与变形延伸到无限深．但在实际中由于土体不是线弹性体，而是非连续松散体，粘性土粒间还存在着粘结力，实际上在一定深度以下的土层没有变形．因此，桩基沉降的计算深度不是无限的，而是达到桩端以下某一厚度后终止．常用“应力控制法”或“应变控制法”确定．铁路规范采用“应变控制法”确定[2]；《桩基规范》采用“应力控制法”，由计算深度处的附加应力为该处自重应力的0.2倍来确定[3]；《上海地基基础设计规范》采用计算深度处的附加应力为该处自重应力的0.1倍来确定．

由表2可知，采用0.1应力比确定的压缩层深为群桩桩底平面以下12.7 m，沉降经验修正系数取s= 0.200[2]，群桩桩底平面以下地基的压缩变形h=s·∑S=0.200×28.3=5.66(mm)；采用应变控制法，在群桩桩底平面以下25.5 m时=0.613≤0.025∑S=0.956，沉降经验修正系数取s= 0.200[2]，群桩桩底平面以下地基的压缩变形h=s·∑S=0.200× 38.2=7.64(mm)．

3 不均匀沉降控制

3.1 工后沉降分析

3.2 不均匀沉降控制措施

3.2.1 成桥预压

由于沉降在随着时间的推移不断发展，理论上讲沉降的实测值是得不到的．沉降观测值仅仅是在某一时刻的沉降发生情况，在时间和空间上是有限的．因此，当沉降发展到一定程度时，利用已发生的沉降就可以预测出总沉降和工后沉降，已发生的沉降时间越长，则预测值越接近实际值，预测总沉降值和工后沉降值越精确．

采用成桥预压沉降法，即在成桥后加载二期恒载和与活载等同的堆载进行静载预压．其优点在于，采用等同活载的堆载预压可以模拟运营环境使基础平稳沉降；同时通过预压可延长沉降观测期，提高预测总沉降值精度，进而确定工后沉降值．

预压时间的确定．由于②号墩工后沉降趋于0 mm，③号墩工后沉降须控制在5 mm以下，因此预压时间在满足客运专线铁路无碴轨道铺设条件[7]同时，须满足设计预测的最终沉降量与预测时的沉降观测值之差不大于5 mm，以确保预测工后沉降差满足设计要求．

3.2.2 选用大调高量支座

国内外采用的支座调高主要有垫板调高、螺杆调高、楔块调高和液压调高等4种技术方案．目前最常用也是最简便实用的主要是垫板调高和液压调高方案．

液压调高是用高压注射设备向密闭的支座空腔内注入液态弹性材料，使支座上构抬高，类似液压千斤顶．再利用材料可“液固”转化原理使支座调高后达到稳定．具有构造简单、可实现无级持荷调高、施工方便等优点，已成功应用于武广客运专线、京沪客运专线等高速铁路．但也存在可调高频次有限，1个注射孔只能注1次，可调高量有限，一般为0~20 mm等缺点．

垫板调高是在支座顶部或底部加垫钢板调高方案，构造最简单，只需增加相应厚度的钢板即可．且可实现多次调高，广泛应用于高速铁路桥梁中．

根据工程特点，存在多次、累计大调高量的可能，选用可调高量为0~60 mm大调高量垫板调高支座，通过调高支座能够快捷方便的补偿基础超限沉降，为线路的平顺多一项措施，为安全运营多一道保障．

4 结语

地质断层处桥梁桩基不均匀沉降是桥梁设计难点，如果对沉降的构成及工后沉降的确定没有一个详细而准确的认识，可能出现设计过于保守而造成工程浪费；也可能采取的工程措施不足给铁路运营埋下隐患．通过上述断层处桩基沉降研究，得出以下结论：

(1)桩顶轴向变形主要由桩身材料的弹性压缩变形、桩侧摩擦力传至桩底平面的弹性压缩变形以及桩底平面以下地基的压缩变形3部分组成．但桩侧摩擦力传至桩底平面的弹性压缩变形很小，可以忽略不计．而桩身材料的弹性压缩变形占总沉降比重较大，②号墩为75.56%，③号墩47.64%，不可忽略．

(2)采用成桥预压沉降可以有效减少工后沉降，让大部分沉降在铺轨前完成．同时通过预压可以延长沉降观测期，可以有效提高预测工后沉降的精度．

(3)选用大调高量垫板调高支座作为的冗余技术储备措施，可有效降低工后沉降风险，通过运营监测数据，及时通过支座调整到设计高程，补偿基础超限沉降．确保线路的平顺和运营安全．

(4)采用成桥预压和选用大可调高量支座等措施，对于位于地质性状突变或地质变化剧烈的地基基础不均匀沉降控制具有很好的参考价值．

[1]铁道第三勘察设计院. 桥涵地基和基础[K]. 北京: 中国铁道出版社, 2002.

[2] TB10002.5-2005, 铁路桥涵地基核基础设计规范[S].

[3]JGJ 94-2008, 建筑桩基技术规范[S].

[4]田万俊, 马建林. 黏性土地区高速铁路桥梁桩基础沉降计算方法研究[J]. 铁道标准设计, 2013(4): 55-59.

[5]杨奇. 高速铁路桥梁桩基础变形性状实验与工后沉降研究[D]. 长沙: 中南大学, 2011.

[6]程琴辉. 高速铁路桥梁长桩基础桩底压缩层厚度的研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2011.

[7]铁建设[2006]158号, 客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南[S].

[8]TB10621-2014, 高速铁路设计规范[S].

[9]肖汉, 郭永春. 桩板结构下桩基沉降计算方法适用性探讨[J]. 铁道建筑, 2012(1): 96-98.

[10]张茵涛, 张晨, 黄强兵. 地裂缝对高速铁路桥梁的破坏机理研究[J]. 铁道建筑, 2014(6): 24-26.

(责任编校：陈健琼)

Study on Uneven Settlement Control of High - speed Railway Bridge in Geological Fault

WANG Xuegang

（China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd. Survey and Design Institute, Hexi, Tianjin 300222, China）

Based on the calculation and analysis of the No.2 and No.3 Pile Foundation of Pier at the geological fault of the Uma River Bridge, it is concluded that there is a settlement difference between the two piers.The use of bridge preloading settlement, high adjustable support and other measures are proposed to control the settlement difference.The result has a certain reference value for the uneven settlement of the foundation based on the abrupt change of geological traits or the geological changes.

high - speed railway; bridge; geological fault; settlement; preload; high adjustable support

U442.5+9

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0005

1672–7304(2017)04–0022–04

2017-06-10

王学刚(1984-)，男，内蒙古鄂尔多斯人，工程师，主要从事铁路桥梁设计研究．E-mail: 2830537744@qq.com